編碼曝光相機系統設計

余愛生

【摘??要】目標的運動會導致其成像模糊。為了從模糊的圖像中恢復清晰的目標圖像，本文采用了編碼曝光成像技術。與傳統相機成像中快門一直處于開啟的狀態不同，編碼曝光相機成像是在快門開啟和閉合轉換過程中成像。由于在時域快速轉換的編碼等效為頻域較寬的濾波器，因此編碼曝光成像有效地保留了目標的高頻信息。

【關鍵詞】編碼;曝光;相機系統;設計

1?編碼曝光相機系統設計

1.1?編碼曝光系統的硬件設計

如?圖?1?所?示，核?心?控?制?器?選?用?Xilinx?公?司Spartan??6?系?列?的?XC6SLX45T-3FG484C。該芯片共?484?個引腳，其中?DDR3?存儲器、程序存儲器以及?88E1111?千兆網物理層芯片分別接于廠家典型系統默認引腳，以便利用現有資源;設計的模塊外接引腳盡量布置在同一個?BANK?內，全局時鐘使用48?MHz?外部晶振;W25Q64?為?64?Mbit?的配置程序存儲器;DDR3?數據存儲器?MT41J64M16LA?有?1?024?M數據存儲空間，存儲圖像數據和運算中間結果;高靈敏度?CCD?圖像傳感器?ICX204AL?有效像素為1?024?×?768，幀率為?60?frame/s;CXD3400N?作為場時序驅動器提供列向的三態電壓時序驅動（XV2A、XSG1、XV2B、XSG2）及襯底信號驅動（XSUB）;12?位?CCD?信號處理器?AD9949?作為行驅動信號發生器（H1、H2），并提供生成信號（CCDIN）的模數轉換;88E1111?是千兆網物理層芯片，通過?RJ45?構成網絡通信接口。

圖?1?編碼曝光相機系統電路框圖

CXD3400N?接收?FPGA?發出的垂直時鐘轉移控制信號（XV1、XV2A/XV2B、XV3）和襯底控制信號?XSUB，向?ICX204AL?發送電荷累積和電荷垂直移位的時序信號，其中?XSUB?是編碼曝光信號，V2A/V2B?是三電平結構;FPGA?向?AD9949?提供主時鐘（CLK）、垂直同步脈沖（VD）和水平同步脈沖（HD），FPGA?通過?SPI?總線接口控制?AD9949?生成水平時鐘轉移信號（H1、H2）和復位時鐘信號（RG），AD9949?也是?CCD?信號的模數信號轉換器，將模擬圖像信號轉換成數字信號，通過?D[7…0]?輸出到?FPGA，FPGA?的?DDR3?控制核將圖像數據發送到存儲器MT41J64M16LA。當圖像采集完成后，FPGA?中圖像重建模塊恢復出清晰圖像，通過網絡通信接口輸出，可由上位機接受顯示。

圖2?CCD?編碼曝光相機系統結構

編碼曝光相機系統結構如圖?2?所示，主要由核心控制模塊和外部芯片功能模塊組成。核心控制模塊的功能設計如下：外部晶振通過全局時鐘引腳到核心控制模塊中的基準時鐘模塊，作為系統的時鐘基準。時序模塊產生?CCD?傳感器的驅動時序。曝光編碼模塊作為傳感器配置模塊的輸入變量，向圖像采集模塊的時序驅動模塊提供曝光序列。傳感器配置模塊同時對處理模塊產生的垂直同步脈沖和水平同步脈沖信號進行編輯。圖像讀取模塊利用?DDR?控制模塊將數據保存在數據存儲器中，這時得到了編碼曝光圖像數據。隨后核心控制器中的解碼重建模塊讀取數據存儲器中編碼曝光圖像，進行片內解碼得到清晰復原圖像。圖像數據經千兆網模塊可輸出顯示，也可以直接輸出編碼曝光圖像。命令模塊接受網絡的輸入信號，可以進行系統設置。千兆網模塊和?DDR?控制均為廠家提供的資源。

編碼曝光圖像采集及輸出時序圖如圖3?所示。由于?ICX204AL?總像素為?1?034?×?792，輸出一幅圖像需要?VD?控制信號?1?034?個，且每個?VD?信號含792?個?HD?信號。相機快門開關由?SUB?信號控制，HD?信號為低電平時，垂直時鐘信號按?V1、V2A/V2B、V3?順序開始工作，并將存于垂直移位寄存器中的光生電荷向水平移位寄存器移動。V2A/V2B的高電平信號決定了新一行圖像的起始位置。

圖?3編碼曝光圖像采集及輸出時序圖

1.2?編碼曝光系統的軟件設計

L?=?B/K編碼曝光解碼圖像程序流程圖如圖3?所示。曝光編碼在控制像元曝光襯底信號?SUB?的同時，也被用作圖像復原時構造模糊核?K，以便解碼復原。若已經得到編碼曝光模糊圖像?B，利用解碼獲得清晰圖像輸出。上述過程由?FPGA的硬件邏輯實現。

圖?4?嵌入式編碼曝光系統程序流程圖

同一目標以不同相對速度通過采集相機時，在采集圖像的像平面中位置不同，導致采集的模糊圖像不同，即可以認為由不同模糊核造成。由于模糊核是由預設編碼的?Toeplitz矩陣形式和與其等寬且不等長的模糊尺度構成，因此采用結構相似性與圖像熵的聯合估計方法確定圖像模糊核的模糊尺度，并與二進制編碼一起構造模糊核。具體編碼曝光解碼復原過程如下：

1）在核心控制器內預設碼長為?m?的二進制編碼序列?k;

2）通過設定模糊尺度與?k?共同構造模糊核?K;

3）通過L?=?B/K解碼獲得清晰圖像，并輸出顯示。

2結論

本文設計了一種運動圖像去模糊的嵌入式編碼曝光相機系統。利用?CCD?襯底控制技術，實現持續編碼曝光控制和一次電荷轉移讀出光生電荷，從而獲得編碼曝光圖像。同時，將圖像的解碼過程在同一控制器中實現，獲得清晰運動復原圖像。

參考文獻：

[1]?武為江，蒲濤，朱華濤，等.基于波長選擇開關的OCDMA編解碼系統實驗研究[J].中國激光，2016，43（1）：122？127.

[2]?楊夢婕，李傳起，王大遲，等.OCDMA系統中多碼長地址碼的設計及性能研究[J].激光技術，2015，39（3）：366？371.

[3]?FENG?G，CHENG?W?Q，CHEN?F?J.Design?of?variable–weight?quadratic?congruence?code?for?optical?CDMA?[J].Infrared?physics?&?technology，2015，72：281？285.

[4]?KADHIM?R?A，FADHIL?H?A，ALJUNID?S?A，et?al.A?new?two?dimensional?spectral/spatial?multi？diagonal?code?for?noncoherent?optical?code?division?multiple?access（OCDMA）systems?[J].Optics?communications，2014，329（20）：28？33.

[5]?馮剛，陳福軍.改進的平衡解碼器在OCDMA中的性能分析[J].華中科技大學學報（自然科學版），2016，44（9）：1？5.

[6]?白金龍.非高斯噪聲信道下Turbo碼編解碼的設計與仿真[D].鄭州：鄭州大學，2018.

（作者單位：中海油天津化工研究設計院有限公司）